Strapping-выводы ESP32, S3, C3, C6 и других: какие GPIO влияют на загрузку

Выводы обвязки по чипам

В таблице — выводы, которые выбирают режим загрузки, и их состояние по умолчанию по таблицам 3-1 и 3-3 даташитов (у ESP32-C2 — таблицы 10 и 12 даташита ESP8684). «Свободен» значит, что внутренней подтяжки нет и уровень задаёт внешняя схема.

Уровни по умолчанию подобраны так, что чип без внешней обвязки запускает программу из флеш-памяти. У ESP32-C3 вывод GPIO2 режим загрузки не выбирает, но даташит советует подтянуть его вверх из-за возможных помех. У ESP32-C5 есть второй режим загрузки прошивки — все три вывода GPIO26, GPIO27 и GPIO28 в нуле: тогда прошивка принимается по UART или SDIO.

Режим загрузки прошивки (Joint Download Boot) принимает прошивку по UART0 у всех чипов, по USB — у чипов с контроллером USB Serial/JTAG или USB OTG (S2, S3, C3, C5, C6, H2, P4), а у ESP32, C5 и C6 — ещё по SDIO. Прошивку можно записать во флеш-память или загрузить в ОЗУ и сразу выполнить (даташиты, разд. 3.1).

ESP32: GPIO12 и напряжение флеш-памяти

У классического ESP32 вывод GPIO12 (MTDI) при сбросе выбирает, откуда питается вывод VDD_SDIO, а от него — флеш-память и PSRAM:

• MTDI = 0 (по умолчанию, внутренняя подтяжка вниз) — VDD_SDIO подключён к VDD3P3_RTC, обычно 3,3 В;
• MTDI = 1 — VDD_SDIO питается от внутреннего стабилизатора на 1,8 В.

Напряжение VDD_SDIO должно совпадать с напряжением флеш-памяти (даташит ESP32, табл. 1-1 и разд. 2.5). Поэтому если на плате флеш-память рассчитана на 3,3 В, а GPIO12 при сбросе оказывается в единице (внешняя подтяжка, выход датчика, шина), флеш-память получает 1,8 В — и ESP32 может перестать запускаться после того, как к GPIO12 что-то подключили.

Выбор можно закрепить eFuse-битами: если прожечь EFUSE_SDIO_FORCE = 1, напряжение задаёт EFUSE_SDIO_TIEH (0 — 1,8 В, 1 — 3,3 В), а уровень MTDI больше не учитывается (разд. 3.2). Прожиг необратим: eFuse-бит нельзя вернуть в ноль.

Остальные выводы обвязки ESP32: GPIO15 (MTDO) в нуле при сбросе отключает вывод сообщений загрузчика в U0TXD, а вместе с GPIO5 задаёт фронты выборки и выдачи данных в режиме ведомого SDIO (табл. 3-4 и 3-5). Кроме того, у ESP32 выводы GPIO6–GPIO11 обычно заняты флеш-памятью, а GPIO34–GPIO39 работают только на вход, без подтяжек (табл. 2-1).

Другие функции выводов обвязки

У ESP32-S2 и S3 вывод GPIO45 выбирает напряжение VDD_SPI так же, как GPIO12 у ESP32: ноль — 3,3 В, единица — 1,8 В от стабилизатора флеш-памяти, если не прожжён EFUSE_VDD_SPI_FORCE. Вывод сообщений загрузчика у большинства чипов зависит от сочетания вывода и eFuse-поля EFUSE_UART_PRINT_CONTROL: пока поле не прожжено, сообщения выводятся при любом уровне. Выводы выбора JTAG учитываются только при определённых eFuse-битах; у ESP32-S3 даташит отдельно предупреждает, что у GPIO3 нет внутренней подтяжки и его уровень должна задавать внешняя схема.

ESP8266

У ESP8266 загрузку выбирают GPIO0, GPIO2 и GPIO15 (MTDO) (даташит ESP8266EX, табл. 2-1). Схема платы NodeMCU указывает уровни: при каждом включении, сбросе и пробуждении GPIO15 должен быть в нуле, GPIO2 — в единице, а GPIO0 в единице запускает программу, в нуле — режим загрузки прошивки. Как это разведено на платах, показано на страницах NodeMCU и WeMos D1 mini.

Как не мешать загрузке

1. Не подключайте к выводам обвязки то, что меняет их уровень при сбросе: подтяжки шин I²C и 1-Wire, кнопки на землю или питание, входы с собственной подтяжкой, выходы других микросхем, которые включаются раньше ESP32.
2. Если вывод всё же нужен, используйте его как выход, нагрузка которого во время сброса не меняет уровень, а при необходимости поставьте внешний резистор в ту же сторону, что и подтяжка по умолчанию.
3. Учитывайте время: уровень должен держаться не меньше 1 мс (ESP32) или 3 мс (остальные чипы) после того, как CHIP_PU или CHIP_EN перешёл в единицу.
4. Для своей платы выведите кнопку BOOT на вывод выбора режима (GPIO0, GPIO9, GPIO28 или GPIO35 — в зависимости от чипа) и кнопку сброса на CHIP_PU или CHIP_EN — так прошивку всегда можно будет записать заново.

Распиновка платы ESP32-DevKitC с отмеченными выводами обвязки — на странице ESP32-DevKitC; обзор чипов Espressif — в разделе ESP32.